Линейная резистивная цепь содержит один источник напряжения Vs и один источник тока Is. Ток I через нагрузочный резистор измерен дважды: при Vs = 2 V и Is = 6 mA I = 2,8 mA; при Vs = 5 V и Is = 4 mA I = 3,7 mA. Найдите ток нагрузки I при Vs = 4 V и Is = 4 mA.
2 V, 6 mA → 2,8 mA5 V, 4 mA → 3,7 mAVs = 4 V, Is = 4 mA
I = mA
8.Метод наложенияСложная
Линейная резистивная цепь содержит три независимых источника: V1, V2 и Is. Ток I через нагрузку измерен три раза. При номинальных значениях всех источников I = −8 mA. Если V1 удвоить, а два других оставить без изменений, I = −14 mA. Если изменить направление Is на противоположное, а два других оставить без изменений, I = 14 mA. Найдите ток нагрузки I, если V2 отключён, а V1 и Is имеют номинальные значения.
номинальные значения: I = −8 mA2·V1: I = −14 mA−Is: I = 14 mA
I = mA
9.Тевенин и НортонСредняя
К a–b подключена нагрузка RL = 20 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.
V1 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩRL = 20 Ω
IL = A
10.Тевенин и НортонСложная
Найдите ток Нортона IN: ток, текущий от a к b, если зажимы замкнуть накоротко.
V1 = 10 VIs = 2,5 AR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
11.Схемы на операционных усилителяхСредняя
Дифференциальный усилитель выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V, при этом R3 = R1 и R4 = R2. Найдите выходное напряжение Vout.
V1 = 3 VV2 = 2,3 VR1 = R3 = 10 kΩR2 = R4 = 100 kΩ
Vout = V
12.Схемы на операционных усилителяхСложная
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Отношения резисторов не согласованы. Найдите выходное напряжение Vout.
Через катушку течёт установившийся ток 2 A. При t = 0 ключ замыкает контур через R, а источник отключается, поэтому ток катушки убывает через R. Найдите ток i в момент t = 1 ms.
i(0) = 2 AR = 47 ΩL = 10 mHt = 1 ms
i = A
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 18 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 15,9 V? Найдите t.
Vs = 15 VR = 3,3 kΩC = 68 µFvC(0) = 18 V
t = ms
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 1,104 A
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R3 + R4 = 8 + 5 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 4·13/(4+13) = 3,059 Ω
Req = R1 + 3,059 = 6 + 3,059 = 9,059 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/9,059 = 1,104 A
Ответ
IR1 = 1,104 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 23,6 Ω
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R5 + R6 = 25 + 5 = 30 Ω
R4 ∥ 30 = 3,529 Ω
R3 + 3,529 = 6,529 Ω
R2 ∥ 6,529 = 3,595 Ω
Req = R1 + 3,595 = 20 + 3,595 = 23,6 Ω
Ответ
Req = 23,6 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VB = 15,85 V
Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.
Определите узлы
Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 12 V). Неизвестные: VA, VB.
ЗТК в узле A
Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники подают в A.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/15 + (VA − 12)/4 + (VA − VB)/3 = 0
0,65·VA − 0,3333·VB = 3
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/4 + (VB − VA)/3 = 5
−0,3333·VA + 0,5833·VB = 5
Решите
Δ = (0,65)(0,5833) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,2681
VA = Δ1/Δ = 3,417/0,2681 = 12,75 V
VB = Δ2/Δ = 4,25/0,2681 = 15,85 V
Ответ
VB = 15,85 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 9,48 V
Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.
Определите узлы
Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 6 V, V2 = 36 V). Неизвестные: VA, VB.
ЗТК в узле A
Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники подают в A.
VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/15 + (VA − 6)/8 + (VA − VB)/15 = 0
0,2583·VA − 0,06667·VB = 0,75
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.
Задайте контурные токи
В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.
ЗНК для контура 1
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
15·I1 + 2(I1 − I2) = 15
17·I1 − 2·I2 = 15
ЗНК для контура 2
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
10·I2 + 2(I2 − I1) = (−10)
−2·I1 + 12·I2 = −10
Решите
Δ = (17)(12) − (−2)(−2) = 200
I1 = Δ1/Δ = 160/200 = 0,8 A
I2 = Δ2/Δ = −140/200 = −0,7 A
Ответ
IR3 = I1 − I2 = 1,5 A
VR3 = IR3·R3 = 1,5·2 = 3 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I3 = −1,807 A
Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.
Задайте контурные токи
В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2, I3. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.
ЗНК для контура 1
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
4·I1 + 3(I1 − I2) = 12
7·I1 − 3·I2 = 12
ЗНК для контура 2
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
6·I2 + 3(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 19·I2 − 10·I3 = 0
ЗНК для контура 3
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
4·I3 + 10(I3 − I2) = (−18)
−10·I2 + 14·I3 = −18
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 1036
I1 = Δ1/Δ = 1452/1036 = 1,402 A
I2 = Δ2/Δ = −756/1036 = −0,7297 A
I3 = Δ3/Δ = −1872/1036 = −1,807 A
Ответ
I3 = −1,807 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: I = 3,2 mA
Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.
Записываем отклик как сумму вкладов
Каждый вклад пропорционален своему источнику с коэффициентом, зависящим только от резисторов.
I = k₁·Vs + k₂·Is
2·k₁ + 6·k₂ = 2,8
5·k₁ + 4·k₂ = 3,7
Находим константы
Δ = (2)(4) − (6)(5) = −22
k₁ = Δ1/Δ = −11/−22 = 0,5
k₂ = Δ2/Δ = −6,6/−22 = 0,3
k₁ = 0,5 mA/V, k₂ = 0,3
Предсказываем новый ток
I = 0,5·4 + 0,3·4 = 3,2 mA
Ответ
I = 3,2 mA
8.Метод наложения
Ответ: I = −17 mA
Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.
Записываем измерения через вклады
Каждый вклад пропорционален своему источнику.
I₁ + I₂ + I₃ = −8
2·I₁ + I₂ + I₃ = −14
I₁ + I₂ − I₃ = 14
Находим вклады
I₁ = −14 − (−8) = −6 mA
I₃ = (−8 − 14)/2 = −11 mA
I₂ = −8 − (−6) − (−11) = 9 mA
Отключаем V₂
I = I₁ + I₃ = (−6) + (−11) = −17 mA
Ответ
I = −17 mA
9.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,2736 A
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
Найдите Rth со всеми отключёнными источниками
Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.
R1 ∥ R2 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 3 = 5,308 Ω
Найдите Vth — напряжение холостого хода
Когда a–b разомкнуты, через R₃ ток не течёт, поэтому падения на нём нет и V_b = V_A. R₁ и R₂ образуют делитель напряжения.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 9·10/(3+10) = 6,923 V
Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина
Источник Тевенина и последовательный R_th ведут себя на a–b точно как исходная цепь, поэтому нагрузка видит простой последовательный контур.
IL = Vth/(Rth + RL) = 6,923/(5,308 + 20) = 0,2736 A
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IN = −2,024 A
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
Найдите Rth со всеми отключёнными источниками
Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.
R1 ∥ R2 = 15·15/(15+15) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 3 = 10,5 Ω
Найдите Vth — напряжение холостого хода
Когда a–b разомкнуты, Iₛ может течь только через R₃ в узел A. Найдите V_A наложением V₁ и Iₛ, затем прибавьте падение на R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 5 + (−2,5)·7,5 = −13,75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −13,75 + (−2,5)·3 = −21,25 V
Эквивалент Нортона
Источник Нортона — та же цепь, представленная как источник тока, параллельный R_th. Его ток — это ток короткого замыкания на a–b.
IN = Vth/Rth = −21,25/10,5 = −2,024 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −7 V
Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.
Напряжение на входах
Через R₃ и R₄ течёт один и тот же ток, поэтому они образуют делитель напряжения; обратная связь обеспечивает V₋ = V₊.
Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Постоянная времени
τ = L/R = 10 mH / 47 Ω = 0,2128 ms
Убывание тока
i(t) = 2·e−1/0,2128 = 0,01819 A
Ответ
i = 0,01819 A
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: t = 270,2 ms
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Начальное значение, конечное значение, постоянная времени
Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.